FERMENTAÇÃO INDUSTRIAL

Apresentação em tema: "FERMENTAÇÃO INDUSTRIAL"— Transcrição da apresentação:

1 FERMENTAÇÃO INDUSTRIAL
AULA 1 – CONCEITOS INICIAIS Biotecnologia: uso industrial de microrganismos Prof. Dr. Márcio L. dos Santos

2 Biotecnologia Biotecnologia: ramo muito amplo da Tecnologia que se ocupa da transformação ou tratamento de materiais de origem biológica Biotecnologia: utilização de organismos vivos ou sistemas biológicos para a produção industrial. Produção racionalizada de substâncias, que resultam em produtos comercializáveis Biotecnologia: o conjunto de conhecimentos técnicos e métodos de base cientifica ou prática, permite a utilização de “seres vivos” como parte integrante e ativa do processo de produção industrial de bens e serviços.

3 Biotecnologia – Campo de trabalho multidisciplinar
Interação da biotecnologia industrial com ramos do conhecimento Abrange diferentes áreas do conhecimento: - Ciências básicas (biologia molecular, microbiologia, genética, genômica, embriologia etc.), - Ciências aplicadas (técnicas imunológicas, químicas e bioquímicas) - Outras tecnologias (informática, robótica e controle de processos).

4 A Biotecnologia transforma nosso dia a dia
O seu impacto atinge vários setores produtivos, gerando novas oportunidades de emprego: plantas resistentes a doenças, plásticos biodegradáveis, detergentes mais eficientes, biocombustíveis, processos industriais e agrícolas menos poluentes, métodos de biorremediação do meio ambiente, testes para diagnósticos e novos medicamentos. Setores Bens e serviços Agricultura adubo composto, pesticidas, silagem, mudas de plantas ou de árvores, plantas transgênicas, etc Alimentação pães, queijos, picles, cerveja, vinho, proteína unicelular, aditivos, etc. Química butanol, acetona, glicerol, ácidos, enzimas, metais, etc Eletrônica biosensores Energia etanol, biogás Meio Ambiente recuperação de petróleo, tratamento do lixo, purificação da água Pecuária embriões Saúde antibióticos, hormônios e outros produtos farmacêuticos, vacinas, reagentes e testes para diagnóstico, etc. Produtos de origem biotecnológica

5 Etapas que compõem um processo biotecnológico
Independente do tipo, um processo pode ser dividido em seis etapas básicas: Formulação do meio de cultura Esterilização do meio, equipamentos e acessórios Produção do inóculo em quantidade suficiente para inocular o volume de processo Crescimento do microrganismo no (bio)rreator em condições ótimas para formação do produto Extração do produto e sua purificação O tratamento/eliminação dos efluentes gerados pelo processo.

6 PROCESSOS BIOTECNOLÓGICO- INDÚSTRIAS
Processos enzimático Processos fermentativos Agentes de transformação são microrganismos vivos, as reações que ocorrem no (bio)reator são consequência das atividade vital da célula microbiana Quando os agentes de transformação que ocorrem no reator são enzimas Caso particular de processos fermentativo: agentes de transformação são células de tecido (animal ou vegetal), ou vírus.

7 FERMENTAÇÕES Os microrganismos são organismos microscópicos com tamanhos da ordem de (vírus 1nn, bactérias 1µm, e fungos 100µm de diâmetro). Embora, alguns, em determinadas fases de seu crescimento atingem tamanho macroscópicos, a exemplo dos fungos conhecidos como cogumelos, que chega a formar um falso tecido. VIRUS BACTÉRIAS FUNGOS (IN SITU) ALGAS Relação microrganismos x homem evolução de ambos Microorganismos decomposição/contaminação dos alimentos Microorganismos fermentação de alimentos e bebidas alcoólicas

8 HISTÓRICO-FERMENTAÇÕES
Uso da Biotecnologia → iniciou com os processos fermentativos, confundindo-se com a própria história da humanidade. A produção de bebidas alcoólicas pela fermentação de grãos de cereais já era conhecida pelos sumérios e babilônios antes do ano a.C. Por volta do ano a.C., os egípcios, que já utilizavam o fermento para fabricar cerveja, passaram empregá-lo também na fabricação de pão. Cerveja → egípcios deixavam a cevada germinar em potes de barro, após amassavam os grãos lavando-os após para obter a bebida, e ainda, utilizavam as leveduras da cerveja para produzir CO2 para o crescimento de pães. Vinagre, leite e derivados lácteos Não eram conhecidos os agentes causadores das fermentações que ficaram ocultos por 6 milênios.

9 HISTÓRICO-FERMENTAÇÕES
Somente no século 17, o pesquisador Antony van Leewenhoeck, através da visualização em microscópio de cerveja → seres tão minúsculos que eram invisíveis a olho nu → levedura (levare: significa fazer crescer) – como os bolores e cogumelos, são fungos). Louis Pasteur → em 1875, provou que a causa das fermentações era a ação desses seres minúsculos, os MOs-leveduras, caindo por terra a teoria, até então vigente, que a fermentação era um processo puramente químico. Cada tipo de fermentação era realizado por um MO específico e que estes podiam viver e se reproduzir na ausência de ar. Posteriormente, em 1897, Eduard Buchner, demonstrou ser possível a conversão de açúcar em álcool, utilizando células de levedura. O extrato de leveduras é originado da autólise (processo pelo qual uma célula se autodestrói espontaneamente) da parede celular da levedura através de enzimas presentes na célula ou ácidos liberando assim, o conteúdo ou extrato celular

10 HISTÓRICO-FERMENTAÇÕES
A partir da primeira guerra ( ), a Alemanha → necessitava de grandes quantidades de glicerol para a fabricação de explosivos → desenvolveu processo microbiológico de obtenção desse álcool Inglaterra → produzia grande quantidade de acetona para a fabricação de munições → essa fermentação contribuiu para o desenvolvimento dos fermentadores industriais e técnicas de controle de infecções. Produção de antibióticos → grande marco de referência na fermentação industrial. A partir de 1928, com a descoberta da penicilina (antibiótico natural derivado do bolor produzido pelo fungo Penicillium chrysogenum) por Alexandre Fleming, muitos tipos de antibióticos foram desenvolvidos no mundo. Em 1923, Pfizer inaugurou a primeira fábrica para a produção de ácido cítrico por via fermentativa.

11 HISTÓRICO-FERMENTAÇÕES
O processo envolvia uma fermentação utilizando o fungo Aspergillus niger, pelo qual açúcar era transformado em ácido cítrico Na década de 40, durante a 2a guerra mundial, os antibióticos passaram a integrar os processos industriais fermentativos, principalmente nos EUA, baseando-se inicialmente na síntese da penicilina e, posteriormente, da estreptomicina (tuberculose). A partir da década de 50 que a Biotecnologia, com a descoberta da síntese química do DNA, e com as técnicas de manipulação genética → DNA recombinante, fusão celular, passou de fato a existir.

12 HISTÓRICO-FERMENTAÇÕES

13 Processos fermentativos
Elo que liga as antigas artes de elaboração de alimentos (queijo, vinho, ...), mediante o uso de uma flora microbiana natural com a moderna indústria de fermentação de alimentos que utiliza cultivos puros e sofisticados equipamentos de controle do processo. Os processos fermentativos são utilizados industrialmente na produção de inúmeros produtos de interesse industrial Vitaminas ( riboflavina – vitamina B2, ácido ascórbico, ...) Bebidas alcoólicas (cervejas, Vinhos, Sidra, Aguardente,...) Vinagres Importância Solventes (butanol, acetona, isopropanol) Etanol Ácidos orgânicos (Cítrico, láctico, fumárico – produção de papel, psoríase giberélico-hormônio vegetal)

14 Processos fermentativos
O termo fermentação pode ser definido como sendo qualquer processo de conversão de uma substância em certo produto, correspondendo a uma reação catalisada por um microrganismo. No processo de conversão pode ou não haver exigência de oxigênio. Os microrganismos formados podem ser incluídos entre os produtos obtidos durante as transformações bioquímicas ocorridas no transcorrer do processo. Fermentação também pode ser definida como uma transformação química de substância orgânica provocada por um fermento vivo ou por um princípio extraído de fermento.

15 Processo Fermentativo
Matéria -Prima Preparação do meio de cultura Microrganismos Fermentação Subproduto Tratamentos finais Resíduo Produto Tratamento de resíduo

16 Na indústria de alimentos Produto Microorganismo Queijo
Bactérias e fungos Iogurtes Bactérias lácticas Manteiga Bebidas alcoólicas Leveduras Produtos de panificação Levedura alcoólica Picles azeitonas chucrute Bactérias lácteas Carnes fermentadas Vinagre Bactérias acéticas Café Cacau Leveduras e bactéria Chá Enzimas oxidases Soja fermentada Fungos, leveduras e bactétrias Leveduras comestíveis Gorduras Desenvolvimento de sabor Fungos Aromas Proteínas unicelulares (SCP) Fungos, leveduras e bactérias Na indústria de alimentos

17 Produtos como queijos maturados, linguiça fermentada → vida de prateleira maior que a matéria–prima da qual eles foram feitos. Embutidos fermentados são produtos feitos a base de pedaços de carne que sofrem uma fermentação por microorganismos, podendo em seguida serem cozidos e defumados Alimentos fermentados possuem aroma e sabor característicos que resultam dos organismos fermentadores.

18 Na indústria química, farmacêutica e na agricultura
Etanol --- carburante (combustível), farmacêutico, químico, doméstico Ácidos orgânicos --- cítrico, láctico, acético, giberélico, etc. Solventes --- acetona, butanol, isopropanol Aminoácidos--- glutâmico, lisina, triptofano Enzimas --- amilases, proteases, lipases, pectinases, lactase, glicose

19 Na indústria química, farmacêutica e na agricultura
Vitaminas--- ácido ascórbico, riboflavina, ergosterol, β-caroteno, B12 Antibióticos--- penicilinas, estreptomicina, tetraciclinas, etc. Vacinas--- Neisseria, Mycobacterium, Corynebacterium, etc. Gomas –-- dextrana, xantana, levana Transformações moleculares --- esteróides, antibióticos e pesticidas Tratamentos de resíduos agroindústriais, lixo e esgoto Fixadores de nitrogênio do ar em raízes Controle biológico de pragas

20 PRÓXIMA AULA......

21 Esquema de um processo fermentativo industrial

22 Discrição do processo fermentativo Industrial
Processo montante 1. Seleção de microrganismo Isolamento a partir de recursos naturais (solo, água, plantas, etc.); Compra de coleção de cultura; Obtenção de mutantes naturais; Microrganismo recombinante. 2. Preparação do inóculo Chama-se de inóculo, pé-de-cuba ou pé-de-fermentação um volume de suspensão de microrganismo de concentração adequada capaz de garantir, em condições econômicas, a fermentação de um dado volume de mosto. Volume do inóculo deve ser 10% do volume útil do fermentador.

23 Bactérias Morfologia 1. Microrganismo Dimensões : 0,2 - 2,0 m
Comprimento: m

24 1. Microrganismo A) Fungos filamentosos Fungos comestíveis
Agaricus blazei (cogumelo comum) Penicilium B) Leveduras

25 2. Preparação do inóculo Representação esquemática do preparo de inóculo.

26 3. Mosto ou meio de cultura
Fontes dos elementos “principais”: C, H, O e N; Fontes de elementos “secundários”: P, K, S, Mg Vitaminas e hormônios Traços de metais: Ca, Mn, Fe, Co, Cu Zn Na formação de um meio de fermentação (mosto) deve-se levar em consideração a necessidade desses nutrientes, lembrando que o meio, além de propiciar o desenvolvimento do microrganismo, deve favorecer a formação do produto de interesse.

27 3. Mosto ou meio de cultura
1. ÁGUA - Essencial para os microrganismos - Disponibilidade variável no ambiente 2- CARBONO É essencial para a síntese de todos os compostos orgânicos necessários para a viabilidade celular (elemento estrutural básico para os seres vivos) organismos quimio-heterotróficos: obtém C a partir de materiais orgânicos como proteínas, carboidratos e lipídeos. organismos quimio-autotróficos organismos fotoautotróficos

28 3. Mosto ou meio de cultura
3- NITROGÊNIO, ENXOFRE E FÓSFORO: - N, S: síntese de proteínas - N, P: síntese de DNA e RNA, ATP Peso seco de uma célula bacteriana: 14 % N, 4 % S, NITROGÊNIO - utilizado para sintetizar os grupos amino presentes nos aminoácidos. Obtenção de N: - Decomposição de materiais orgânicos (proteínas, aminoácidos) Amônia (NH4 +) Nitrato (NO3-)

29 3. Mosto ou meio de cultura
ENXOFRE - utilizado na síntese de aminoácidos contendo S e de vitaminas (tiamina e biotina). Fontes naturais de S: íon sulfato (SO4-2), sulfito de hidrogênio, aminoácidos FÓSFORO - essencial para a síntese dos ácidos nucléicos e para os fosfolipídeos componentes da membrana celular. Fontes naturais de P: íon fosfato (PO4-3), DNA, RNA, ATP

30 3. Mosto ou meio de cultura
c) POTÁSSIO, MAGNÉSIO E CÁLCIO: - também são elementos essenciais para os microrganismos - frequentemente encontrados como co-fatores para as reações enzimáticas. d) ELEMENTOS TRAÇOS: - FERRO, COBRE, MOLIBDÊNIO, ZINCO - utilizados como co-fatores essenciais para atividade de algumas enzimas

31 3. Mosto ou meio de cultura
4. OXIGÊNIO: - extremamente importante no desenvolvimento microbiano - organismos classificados em: a. AERÓBIOS - Estritos (obrigados): necessitam de O2 - Facultativos: não necessitam de O2 mas crescem melhor com O2 - Microaerófilo: necessitam de O2 mas em níveis menores b. ANAERÓBIOS - Aerotolerantes: não necessitam de O2 mas crescem melhor sem O2 - Estritos (obrigados): não toleram O2 (letal)

32 4. ESTERILIZAÇÃO É o processo físico ou químico que destroi ou inativa todas as formas de vida presentes em um determinado material, especialmente microrganismos incluindo bactérias, fungos e virus. Diferente de desinfecção que é um processo menos rigoroso de eliminação de microrganismos, envolvendo usualmente o uso de agente químico, denominado desinfetante ou germicida

33

34

35

36 Equipamentos para processos fermentativos: esterilizadores, filtros e fermentadores

37 O Controle de uma população microbiana visa:
POR QUE CONTROLAR O CRESCIMENTO MICROBIANO? O Controle de uma população microbiana visa: - Prevenir a transmissão de doenças. - Evitar a decomposição de alimentos. Evitar a contaminação da água e do ambiente. Evitar a contaminação de processos fermentativos     Esse controle de microrganismos é possível pela ação de agentes físicos e químicos, que possuem propriedades em destruir a célula microbiana, ou de impedir a sua reprodução.

38 CONTROLE DA POPULAÇÃO MICROBIANA
Assepsia: Anti-séptico Desinfecção Desinfetante ou germicida Esterilização Biostático Biocida Tindalização Pasteurização

39 PRINCÍPIOS DO CONTROLE MICROBIANO
Esterilização A prática da esterilização visa a incapacidade de reprodução de todos os organismos presente no material, causando a morte microbiana (vírus, bactérias e fungos) até que a probabilidade de sobrevivência de agente contaminante seja menor que 1: quando um objeto é considerado estéril

40 A TAXA DE MORTE MICROBIANA
DEFINIÇÕES: A morte microbiana ocorre na forma exponencial. Após uma rápida redução da população, a taxa de morte torna-se mais lenta devido à sobrevivência de células mais resistentes.

41 FATORES QUE INFLUENCIAM O TRATAMENTO MICROBIANO
TAMANHO DA POPULAÇÃO NATUREZA DA POPULAÇÃO CONCENTRAÇÃO DOS AGENTES TEMPO DE EXPOSIÇÃO TEMPERATURA CONDIÇÕES AMBIENTAIS

42 AÇÕES DOS AGENTES DE CONTROLE MICROBIANO
Célula procariótica Estado coloidal, contem DNA, ribossomos que sintetizam proteínas e centenas de enzimas Promove uma proteção que previne o rompimento celular após absorção de água Mantém a integridade do conteúdo celular e controla a passagem de substância para dentro e fora da célula, contem as enzimas envolvidas no metabolismo celular

43 MÉTODOS DE CONTROLE MICROBIANO
MÉTODO FÍSICO 2. MÉTODO QUÍMICO

44 MÉTODOS DE CONTROLE MICROBIANO
MÉTODO FÍSICO: I) Altas temperaturas Calor :1)seco ou 2) úmido Pasteurização II) Baixas Temperaturas IV) Dessecamento V) Pressão osmótica VI) Radiação ( ultra-sons, Radiação ionizante, radiação não-ionizante) VII) Filtração

45 MÉTODO FÍSICO I) CALOR - MATA OS MICRORGANISMO DESNATURANDO SUAS ENZIMAS - A RESISTÊNCIA AO CALOR VARIA DE ACORDO COM O MICRÓBIO: Ponto de Morte Térmica (PMT): < temperatura em que todos os microrganismos em uma suspensão líquida serão mortos por calor em 10 min. Tempo de Morte Térmica (TMT): período mínimo de tempo em que todos os microrganismos serão mortos. Tempo de Redução Decimal (TRD ou D): o tempo, em min, em que 90 % de uma população microbiana em uma determinada temperatura serão mortas.

46 MÉTODO FÍSICO CALOR SECO:
I) Altas temperaturas CALOR SECO: Causa a oxidação dos constituintes orgânicos da célula (“queima lentamente a célula” ) Flambagem (Chama direta) : processo onde o material é levado diretamente ao fogo, seja seco ou embebido em álcool (utilizado na desinfecção de alças de vidro).

47 MÉTODO FÍSICO A) CALOR SECO:
I) Altas temperaturas A) CALOR SECO: Estufa esterilizante: amplamente utilizada para as vidrarias e outros materiais (160 ºC/2 h ou 180 ºC/1 h).

48 MÉTODO FÍSICO CALOR SECO:
I) Altas temperaturas CALOR SECO: Incineração: processo drástico de eliminação dos microrganismos e que destroem o produto.

49 MÉTODO FÍSICO B) CALOR ÚMIDO
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO É mais eficiente que o calor seco para destruir os microrganismos, isto porque o calor úmido causa a desnaturação e coagulação das proteínas vitais como enzima. ESTERILIZAÇÃO POR CALOR ÚMIDO - Fervura (100 ºC) - Vapor de fluxo livre - Vapor de água sobre pressão – Autoclave

50 MÉTODO FÍSICO FERVURA: Mata as formas vegetativas presente no líquido
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO FERVURA: Mata as formas vegetativas presente no líquido não destrói endosporos que podem resistir a 100 oC. VAPOR DE FLUXO LIVRE (NÃO PRESSURIZADO) Equivalente a água fervente Não mata os endosporos bacterianos e alguns vírus Um tipo do vírus da hepatite pode sobreviver a até 30 min de fervura e alguns endosporos bacterianos resistem à fervura por mais de 20 h.

51 MÉTODO FÍSICO VAPOR DE ÁGUA
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO VAPOR DE ÁGUA Vapor de água sobe pressão é o método mais prático e seguro de aplicação de calor úmido. Em um sistema fechado a Volume constante o aumento de pressão permitirá um aumento de temperatura AUTOCLAVE: É o aparelho destinado a esterilização com vapor sob pressão. 121 ºC – suficiente para matar todos os organismos e seus endosporos por 15 min.

52 MÉTODO FÍSICO I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO Fonte de vapor
Figura 1. Autoclave

53 Cinética de destruição térmica de microrganismos
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO Cinética de destruição térmica de microrganismos N é o número de microrganismos viáveis por mL, K é a constante específica de morte (min-1) t é o tempo em minutos T1 T2 T1 T3 T2 ln N ln N0 t

54 Cinética de destruição térmica de microrganismos
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO Cinética de destruição térmica de microrganismos Como funciona a cinética de destruição para os esporos? ln N0

55 Processos de esterilização
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO Reatores com meio de cultura Reatores Vazios Processos de esterilização Descontínuos Contínuos

56 ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO O meio é colocado no reator e em seguida é aquecido com vapor; Esteriliza-se simultaneamente o reator e o meio de cultura por vapor direto ou indireto ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA Três fases distintas na esterilização descontínua Aquecimento (até 120oC) Esterilização Resfriamento

57 ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES
B) CALOR ÚMIDO ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA O cálculo de tempo de esterilização depende: 1- Número inicial de células vivas (N1) 2- temperatura mínima letal (Tm); 3- Probabilidade de falha (P); 4- Curvas de aquecimento e resfriamento; 5- Temperatura de esterilização 6- variação de k com a T N2 N3 P N1 t1 t2 t3 t4

58 ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO ESTERILIZAÇÃO DESCONTÍNUA t2 Aquecimento: lnN1/N2 = ∫ k.dt Logo: t1 ∫ t2 t1 ∫ t4 t3 lnN1/P= k´.dt + ke. + lnN3/P = k”dt Esterilização lnN2/N3 = ke. t4 Resfriamento: lnN3/P = kdt ∫ ln N1/P = k’ (t2-t1) + ke  + k’’ (t4-t3), t3

59 ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES
I) Altas temperaturas B) CALOR ÚMIDO ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA

60 ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES
I) Altas temperaturas ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA Produção de dextrana clínica

61 ESTERILIZAÇÃO DE MEIO EM REATORES
I) Altas temperaturas ESTERILIZAÇÃO CONTÍNUA O cálculo de tempo de esterilização lnN1/P =ke.

62 MÉTODO FÍSICO PASTEURIZAÇÃO Tratamento Clássico: 63 ºC por 30 min
I) Altas temperaturas PASTEURIZAÇÃO Tratamento Clássico: 63 ºC por 30 min Pasteurização de Alta Temperatura e Curto Tempo (HTST – high – temperature short-time): 72 ºC por 15 s Leite Pasteurização - submetido a temperatura (72 ºC) enquanto flui continuamente por uma serpentina. Conserva-se bem sob refrigeração Esterilização – submetido a altas temperaturas (UHT – ultra-high temperature) para que possa ser armazenado sem refrigeração (a temperatura vai de 74 ºC para 140 ºC e depois retorna para a temperatura inicial)

63 MÉTODO FÍSICO PASTEURIZAÇÃO I) Altas temperaturas
Figura 2- Pasteurizador Tubular para Produtos Líquidos e Pastosos

64 MÉTODO FÍSICO II) BAIXAS TEMPERATURAS
Depende do tipo de microrganismo e da intensidade de aplicação. Diminuição/interrupção do metabolismo celular. Refrigeradores comuns (0 – 7 ºC): efeito bacteriostático (a temperatura afeta a reprodução e o metabolismo celular).

65 MÉTODO FÍSICO III) DESSECAMENTO
Na ausência de água, os microrganismos não podem crescer ou se reproduzir mas podem permanecer viáveis por anos através das formas de resistência (endosporos/esporos). Quando a água é oferecida os microrganismos retornam ao seu crescimento e divisão Técnica comum - Liofilização

66 MÉTODO FÍSICO IV) PRESSÃO OSMÓTICA
Altas concentrações de sais e açúcar – Plasmólise Processo semelhante ao ressecamento- retira da célula a umidade que ela necessita para sobreviver Bastante utilizado na conservação de alimentos. Ex: curar carnes (sal) e conservar frutas (açúcar). Fungos – mais resistentes em crescer em baixas concentrações de água e altas concentrações de sais.

67 MÉTODO FÍSICO V) RADIAÇÃO Comprimento de onda em centímetros
rádio microonda infravermelho visível ultravioleta Raio-X Raio-gama Comprimento de onda em centímetros

68 MÉTODO FÍSICO V) RADIAÇÃO i) Radiação Ionizante
ii) Radiação não-ionizante Luz Ultravioleta (UV) ( entre 136 – 400nm) Raios Gama, raios X ou feixes de elétrons de alta Energia. Efeito bactericida (260 nm) Baixo 

69 MÉTODO FÍSICO V) RADIAÇÃO i) RADIAÇÃO IONIZANTE:
Raios Gama: emitidos Por isótopo radioativo : 60Co radioativo. Feixes de Elétrons: são produzidos acelerando elétrons até energias elevadas em máquinas especiais. Raios X: são produzidos por máquinas similares as dos feixes de elétrons e são de natureza similar aos raios gama.

70 MÉTODO FÍSICO V) RADIAÇÃO i) RADIAÇÃO IONIZANTE:
Principal efeito da Radiação Ionizante h H2O OH- + H+ Radical Hidroxila (OH) é outra forma intermediária do O2 sendo provavelmente o mais reativo. É gerado no citoplasma da célula por meio do efeito de radiações ionizantes. Estes radicais hidroxila são produzidos durante a respiração aeróbica na maioria dos microrganismos.

71 MÉTODO FÍSICO VI) Filtração
Passagem de um líquido ou gás através de um material semelhante a uma tela, com poros pequenos o suficiente para reter os microrganismos. Tipos de Filtro Filtro de materiais fibrosos Filtra de membranas Filtros HEPA (High efficiency particulate air)

72 MÉTODO FÍSICO VI) Filtração
Filtro de materiais fibrosos ( Lã de vidro) 2. Filtro de Membrana – compostos por ésteres de celulose ou polímeros plásticos (terflon) (normalmente usa-se filtro de 0,2 µm).

73 MÉTODO FÍSICO VI) Filtração
Filtro de Partículas de Ar de Alta Eficiência (HEPA – high efficiency particulate air). Placa acetato de celulose Remoção de partícula (= 0,3 µm) eficiência = 99,97% Placa de fibra de vidro (= 0,5 µm) eficiência  99,97% Ex: salas de hospitais com pacientes queimados Capela de fluxo laminar vertical

74 Bactérias retidas na superfície de um filtro do tipo Isopore® (Adaptado de Prescott et al., Microbiology, 1997) OBS: Filtro tipo Isoporo: filmes de policarbonato tratados com radiação nuclear seguido de cauterização química.

75 5. BIOREATORES São nos reatores nos quais ocorrem conversões bioquímicas, que são favorecida pelo conjunto de operações industrial adequada

76 Classificação Geral dos Biorreatores
1.Reatores em fase aquosa (fermentação submersa): 1.1 Células/enzimas livres Reatores agitados mecanicamente (STR: “Stirred Tank Reactor”) Reatores agitados pneumaticamente: colunas de bolhas (“buble column”) e Reatores “air lift” Reatores de fluxo pistonado (“plug flow” )

77 Classificação Geral dos Biorreatores
1.2.Células/Enzimas imobilizadas em suportes Reatores com leito fixo Reatores com leito fluidizado 1.3.Células/Enzimas confinadas entre membranas Reatores com membranas planas Reatores de fibra oca (“ hollow-fiber”)

78 2.Reatores em fase não-aquosa (fermentação semi-sólida):
Reatores estáticos (reatores com bandeja) Reatores com agitação (tambor rotativo) Reatores com leito fixo Reatores com leito fluidizado gás-sólido

79 “air-lift” Coluna de bolhas Agitados mecanicamente Células imobilizadas (leito fixo) Células imobilizadas (leito fluidizado)

80 Produto Membranas planas

81 Processo fermentativo:
descontinuo, contínuo, semicontínuo e com reciclo.

82 Processos fermentativos submersos
I) Processos Descontínuos ou batelada Esse tipo de fermentação vem sendo utilizado pelo homem desde a antiguidade e, ainda hoje é muito empregada para obtenção de vários produtos fermentados. Modo de operação: Meio é esterilizado no fermentador; Inoculação; Incubação; Fermentação; Descarregamento da dorna; Recuperação dos produtos Lavagem , esterilização e recarga da dorna

83 Processos fermentativos submersos
I) Processos Descontínuos ou batelada Existem, basicamente, três modos de operação de um sistema batelada: 1) processos em que a dorna recebe um inóculo; Inoculação de uma dorna a partir de uma cultura pura 2) processos com recirculação do microrganismo; Reaproveita como inoculo o microrganismo da batelada anterior 3) processo por meio de cortes. Meio Volume A Meio inocula Fermentação Dorna A Dorna A Dorna B

84 Processos fermentativos submersos
I) Processos Descontínuos ou batelada Vantagens X Desvantagens Substrato adicionado de uma só vez pode levar a baixos rendimentos e produtividades Menos riscos de contaminação Grande flexibilidade Operacional Efeito inibitório Tempos morto Controle mais preciso da estabilidade genética

85 Processos fermentativos submersos
I) Processos Descontínuos ou batelada Número de Dornas? Este cálculo depende de alguns fatores como explanado a seguir. F: vazão média do meio fermentado enviado ao setor de tratamentos finais tf: tempo de fermentação V: volume do fermentador n: número de fermentadores td; tempo de descarga de um fermentador tc: tempo de limpeza e carregamento M: massa do produto que se deseja obter num tempo t. r: rendimento do tratamento final C: concentração do produto no meio fermentado

86 Processos fermentativos submersos
Fim de descarga Fim de fermentação ... D Fim de carga Preparo da dorna

87 Processos fermentativos submersos
td= t de descarga; tc= t de limpar e carregar uma dorna F= vazão média (L/h)

88 Processos fermentativos submersos
Exemplo? ácidos orgânicos Butanol etanol Produção de glicerol

89 Processos fermentativos submersos
F, S0 II) Processos Descontínuos Alimentado A batelada alimentada é um tipo especial de processos em batelada onde o substrato é alimentado constantemente, durante o processo fermentativo, de forma a manter esta concentração constante É um processo de muito sucesso, pois elimina a inibição pelos substrato, resultando em altas produtividades, geralmente muito maiores que o obtido na batelada simples.

90 Processos fermentativos submersos
F, S0 II) Processos Descontínuos Alimentado Aplicações Minimização do efeito do controle do metabolismo Direcionar a via metabólica para o produto de interesse Minimiza a repressão metabólica (consumo preferencial por um tipo de carbono) Retroinibição- inibição de enzimas por produtos finais 2) Prevenção da inibição por substrato ou precursor Nutrientes (etanol, ácido, compostos aromáticos) e precursores tóxicos 3) Minimização da formação de produtos tóxicos 4) Problemas freqüentes dos processos contínuos Contaminação, mutação 5) Adequação do processo fermentativo as condições operacionais Exemplo aumento da produção de etanol no Brasil ( formação de espumas, ,,,) 6) Estudo cinético dos processos fermentativos manutenção de baixos níveis de substrato por longos período de tempo

91 Fermentação Descontínua Alimentada
F, S0 Classificação Processo descontínuo alimentado de forma repetitiva ou em ciclo De tempos em tempos retirá-se rapidamente um determinado V do meio fermentado da dorna, esse volume segue para etapa de recuperação do produto, enquanto o biorreator é acrescido de igual volume de mosto Produção de antibiótico Processo descontínuo alimentado de forma estendida Concentração de substrato limitante é mantida constante no meio em fermentação pelo suprimento contínuo de nutrientes

92 Fermentação semicontínua
Processos fermentativos submersos Fermentação semicontínua É realizada para pequeno volume de produção Divisão do meio fermentado inóculo meio Fermentação .... Fermentação Fermentação .... Exemplo produção de vinagre pelo processos denominado processo lento .

93 Processos fermentativos submersos
Fermentação Contínua F, S0 F, S, P Alimentação contínua de meio de cultura a uma vazão constante e retirada contínua do meio fermentado Volume no reator é constante Estado estacionário

94 Cinética de Processos Fermentativos: Consideração geral
É avaliar o comportamento do processo fermentativo em função do tempo Biomassa Substrato Principais parâmetros avaliado Produto

95 Cinética de Processos Fermentativos:
Curvas de ajuste dos resultados em uma experiência idealizada XM As velocidades instantâneas de crescimento, consumo de substrato e formação de produto são obtidos através da inclinação da tangente Sf=0 PM

96 Cinética de Processos Fermentativos:
Velocidades instantâneas X aumenta  aumenta também complexo [ES] Para transformação de P Velocidade específica de transformação

97 Cinética de Processos Fermentativos:
Curva de crescimento microbiano Fase Lag Fase transição Fase exponencial (x=M) Fase linear de crescimento (rx= cte) Fase desacerelação Estacionária Declínio ou morte

98 Fase Lag- Síntese de enzimas para metabolização dos componentes do meio. Não há crescimento celular. Tempo de duração depende: a) X0; b) idade do microrganismo; c) estado fisiológico dos M.O Fase transição- Inicio da reprodução. Fase exponencial (x=M) - A velocidade de crescimento é diretamente proporcional a concentração X: dX/dt= M= X Fase linear de crescimento- velocidade de reprodução é cte. (rx= cte) Fase desacerelação Estacionária Declínio ou morte

99 Classificação dos Processos Fermentativos
Velocidades específicas de consumo de substrato (S) e a produção do produto (P) apresentam perfis semelhantes Ex. Produção de etanol, vitaminas e aminoáciodos Formação de duas fases distintas: ) quando a velocidade específica de consumo de substrato está diretamente relacionada á velocidade de crescimento celular; ) Boa semelhança entre o perfil das três velocidades específicas. Ex. ácido cítrico e lático A máxima velocidade de produção de produto ocorrem quando as velocidades de crescimento celular e de crescimento sofrem redução significativa. Ex. Penicilina

100 Cinética de Processos Fermentativos:
Determinação das equações cinéticas? I) Tratamento dos dados experimentais II) Cálculo das velocidades específicas 1) Detecção da fase exponencial: LogX x t 2) Aprimoramento da curva de X x t 3) Cálculo da velocidade específica de crescimento Método de ajuste polinomial

101 Cinética de Processos Fermentativos:
Determinação das equações cinéticas? 1) Detecção da fase exponencial: Log X x t É determinado em diferentes limites de tempos, o melhor coeficiente de correlação determina-se o início e o final da fase exponencial. o coeficiente angular fornece a velocidade específica de crescimento máximo.

102 Cinética de Processos Fermentativos:
Determinação das equações cinéticas? 2) Aprimoramento da curva de X x t Recuperando-se os valores de X e t que satisfazem a regressão linear escolhida na etapa anterior aprimora-se a curva X t na fase exponencial 3) Cálculo da velocidade específica de crescimento Método de ajuste polinomial Ajusta-se o polinômio de grau n no gráfico X x t . Através do coeficiente de correlação define-se o grau do polinômio a ser ajustado

103 Cinética de Processos Fermentativos:
Influencia da concentração do substrato limitante sobre a velocidade específica de crescimento Se somente um substrato é limitante os outros em excesso, de forma que somente a mudança da concentração do substrato limitante é relevante, a cinética de crescimento varia tipicamente numa forma hiperbólica, onde S é o substrato limitante (normalmente fonte de carbono) e m a velocidade específica de crescimento.

104 Cinética de crescimento de Monod
Cinética de Processos Fermentativos: Influencia da concentração do substrato limitante sobre a velocidade específica de crescimento max max/2 Ks  S S >> ks   = max (S > 10 ks) Cinética de crescimento de Monod ks = S 

105 Cinética de Processos Fermentativos:
Determinação dos Parâmetros cinéticos 1/ Ks/max 1/max -1/Ks 1/S

106 Cinética de Processos Fermentativos:
Referência Modelo cinético Monod Teissier Moser Contois Powell Blackman Dabes et al. Kono e Asai Modelos cinéticos sem inibição e com um substrato limitante

107 Fatores de Conversão RENDIMENTO [ ] s X Yx/s= -DX/DS P X s tempo

108 Relação entre fatores de conversão e velocidades específicas
Yx/s = m/ms Yx/p = m/mp Yp/s = mp/ms

109 Produtividade em células

110 Influência da concentração de nutriente na velocidade específica de crescimento celular
m = f(S) m S mmax 0,5mmax Ks

111 Exemplos de valores de Ks
Nutriente Ks (mg/L) Microrganismo Glicose 1,02 Enterobacter aerogenes 2,0-4,0 Escherichia coli 5,0 Sacharomyces cerevisiae

112 Exercício O crescimento de um dado microrganismo em meio contendo glicose como fonte de carbono apresentou os seguintes parâmetros: mmax = 0,65h-1 e Ks = 0,05 g/L. Calcular a velocidade específica de crescimento para as concentrações de glicose abaixo: Glicose (g/L) 0,01 0,1 0,5 1 20 90 m (h-1)

113 Exercício O crescimento de um dado microorganismo em meio contendo
glicose como fonte de carbono apresentou os seguintes parâmetros mmax = 0,65h-1 e Ks = 0,05 g/L. Calcular a velocidade específica de crescimento para as concentrações de glicose abaixo: Glicose (g/L) 0,01 0,1 0,5 1 20 90 (h-1) 0,108333 0,433333 0,590909 0,619048 0,648379 0,649639

114 Cálculo de mmax e Ks Invertendo a equação de Monod

115 Como calcular as constantes mmax e Ks?
Ks/mmax -1/Ks Interpolação

116 Continuando o nosso exercício...

117 1/ 1/S

118 Exercício São fornecidos abaixo dados relativos ao crescimento celular segundo Monod. Calcule os valores de Ks e mmax S(g/L) 1,235 2,585 5,090 7,465 12,500 21,240 50,120 (h-1) 0,022 0,037 0,055 0,070 0,073 0,083 0,092

119 Produto quando associado ao crescimento: Volume (V),
Fermentação Descontínua Alimentada Modelo Matemático F, S0 Biomassa Substrato Produto quando associado ao crescimento: Volume (V),

120 F F Fermentação Contínua Modelo Matemático
Balanço de material para o microrganismo F Xo, So, Po X, S, P Estado estacionário =D

121 F F Fermentação Contínua Modelo Matemático Xo, So, Po
Balanço de material para o Substrato X, S, P

122 F F Fermentação Contínua Modelo Matemático Xo, So, Po
Balanço de material para o Produto X, S, P

123 F F Fermentação Contínua Xo, So, Po
Modelo Matemático sem reciclo de célula X, S, P Estado estacionário (D= ) Usando o modelo Monod

124 Fermentação Contínua Modelo Matemático sem reciclo de célula Desvio do comportamento ideal devido a manutenção de célula Se considerar: Concentração de substrato para a manutenção celular Decaimento celular devido a formação de produtos inibitórios ou devido a lise celular

125 cF Fermentação Contínua
Xo, So, Po (1-c)F hX X Modelo Matemático com reciclo interno de célula Regime estacionário

126 Fs (1-c)F cF Fermentação Contínua
Modelo Matemático com reciclo externo de célula Modelo Matemático com reciclo externo de célula F Fs Xo, So, Po X, S (1-c)F hX, S cF gX, S aFs Fs= F + aFs

127 Fs (1-c)F cF Fermentação Contínua
Modelo Matemático com reciclo externo de célula F Fs Xo, So, Po X, S (1-c)F hX, S cF gX, S aFs Dc=Máx/B

128 Sistema contínuo em múltiplo estágio
Fermentação Contínua Sistema contínuo em múltiplo estágio F,S0,X0,P0 F,S1,X1,P1 F,Sn-1,Xn-1,Pn-1 F,Sn,Xn,Pn